叶尖间隙泄漏流对涡轮外环表面换热特性的影响研究

摘要

涡轮外环作为隔绝高温燃气冲刷、保持机匣结构完整性的重要部件，其换热特性直接影响机匣部件温度场。涡轮叶尖间隙泄漏流的存在严重影响了涡轮外环表面的换热特性，进而影响了发动机的性能。本文以GE-E3发动机高压涡轮外环为研究对象，利用数值和试验研究相结合的方法，研究了主流雷诺数Re、吹风比M、间隙高度比τ/H等参数对外环表面换热特性的影响规律。
　　本文首先分别针对有气膜和无气膜条件下外环，数值研究了主流雷诺数Re（60000、70000、80000、90000、100000）、吹风比M（1、1.5、2、4）、间隙高度比τ/H（1%、1.6%、2.7%）对通道内流场及外环表面对流换热系数的影响规律。结果发现：叶尖区域由于间隙泄漏流动会形成间隙分离涡和泄漏涡。流体在受到压力面产生涡的上抬作用冲击壁面，使得外环表面换热系数较高；在间隙内，泄漏流发生分离和再附着，使得外环表面对应位置上的换热系数较大；由于泄漏流从叶片前缘压力面侧流进间隙内发生分离，边界层增厚，使得外环表面对应叶片前缘位置换热系数较低。
　　本文针对数值计算模型设计了相对应的试验系统与试验件，利用瞬态液晶测温技术，试验研究了上述各参数对外环表面换热特性的影响。结果发现：由于涡轮外环表面换热特性受间隙泄漏流的影响较大，在相同间隙高度和吹风比下，随着主流雷诺数 Re的增大，能够流进叶尖间隙的泄漏流越多，外环表面换热系数越大；随着吹风比M的增大，外环表面换热系数变化较小，但对外环表面绝热冷效的影响较大；在相同的间隙高度和主流雷诺数 Re下，吹风比的变化对外环表面换热系数的影响较小；间隙泄漏流对间隙高度的变化非常敏感，且在叶尖间隙内的运动非常复杂，当τ/H=1.6%时，相比其它间隙高度，外环表面换热效果最好。

目录

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2叶尖间隙泄漏流的研究现状

1.3涡轮外环块的冷却技术发展

1.4 本文研究内容

第二章数值模拟研究方法

2.1数值模拟计算方法

2.2计算模型

2.3网格划分

2.4边界条件及计算工况

2.5网格独立性验证

2.6湍流模型验证

2.7 本章小结

第三章 叶尖间隙泄漏流对涡轮外环表面换热特性数值计算分析

3.1典型算例分析

3.2间隙高度对叶尖间隙泄漏流流动换热的影响

3.3主流雷诺数对叶尖间隙泄漏流流动换热的影响

3.4吹风比对叶尖间隙泄漏流流动换热的影响

3.5 本章小结

第四章 叶尖间隙泄漏流对涡轮外环表面换热特性试验研究

4.1试验件设计

4.2试验系统

4.3 试验测量方法及试验工况

4.4 试验误差分析

4.5本章小结

第五章 叶尖间隙泄漏流对涡轮外环表面换热特性试验结果分析

5.1有气膜外环试验典型工况分析

5.2主流雷诺数Re对涡轮外环表面换热特性的影响

5.3吹风比M对涡轮外环表面换热特性的影响

5.4叶尖间隙高度对涡轮外环表面换热特性的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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